关键词： 重载机车   柔性轮对   动力学特性   轮轨蠕滑   车轮磨耗  

摘要： 伴随我国重载铁路运输不断向提高运行速度和增大载运量方向发展,车辆运行的安全性和平稳性也成为大众日益关注的焦点问题。和谐号大功率电力机车是我国现役重载运输线路上的主要牵引装备,随着机车运行速度变快和运行路程加长,在运行过程中还会受风沙、雨雪等恶劣天气的影响,使机车运行安全得不到有效保障,还会影响到机车各部位的振动异常、轮轨伤损和轮轨磨耗等问题。鉴于此,本文基于机车车辆系统动力学,以和谐型六轴重载电力机车为主要研究对象,开展了考虑柔性轮对的刚柔耦合机车动力学特性研究,以及轮轨接触蠕滑极限动态行为分析和车轮磨耗演化规律同轨顶轨侧摩擦系数之间的匹配关系。首先,根据机车轮对的三维结构,使用Hypermesh及Ansys有限元分析软件通过模态叠加法建立柔性轮对模型,再利用多体动力学仿真分析软件UM建立刚柔耦合机车动力学模型和多刚体模型,并将轮轨横垂力与实测数据进行对比,由此验证了模型的正确性。同时,由于轮对的弹性作用,机车的非线性临界速度较刚性轮对降低10%以上。然后,考虑到轮对柔性结构对机车动力学性能的影响,针对脱轨系数、轮重减载率、轮轨力等动力学指标的对比分析,发现刚、柔建模对应的动力学指标的变化趋势基本相同,但由于柔性体结构发生变形及弹性振动,柔性轮对的动力学指标幅值都略小于刚性轮对的;柔性轮对内部发生弹性变形且能减缓钢轨对车辆的冲击作用,因此柔性轮对振动加速度的幅值要比刚性轮对振动加速度幅值小20%左右,因为机车车辆的悬挂系统具有很好的减隔振效果,车体和构架处的振动加速度也要比轮对轴箱处的要小。进一步,分析了机车牵引状态下轮轨接触蠕滑动态行为,结果表明机车在直线线路条件下运行时,基本处于粘着状态,而在通过300m、600m小半径曲线时轮轨力容易达到蠕滑极限状态而出现全滑动现象,此时合成蠕滑力等于极限摩擦力,但在机车通过1200m较大半径的曲线时却较难达到全部滑动的状态,车轮也处于粘着和滑动两种状态之间,随着牵引力的不断增大,粘着区接触斑的面积也随之增大,但对刚性轮对来说变化不明显,柔性轮对接触斑面积幅值较刚性轮对接触斑面积幅值更大,甚至能超出刚性轮对的30%以上,由于通过磨耗功率可以算出体积磨损,因此对比刚柔轮对的磨耗功率,可推断考虑轮对柔性时,车轮磨耗量要比刚性轮对小10%左右。最后,分析了定摩擦系数对车轮磨耗演化规律的影响,选用不同的轨顶轨侧摩擦系数总结其对车轮磨耗深度的影响。当轨顶摩擦系数一定时,轨侧摩擦系数越大车轮磨耗量也越大;当轨侧摩擦系数一定时,增大轨顶摩擦系数车轮的磨耗深度也随之变大,要使车轮磨耗量最小,综合考虑机车的牵引需求,较恰当的轨顶轨侧摩擦系数匹配关系是:轨顶摩擦系数选取0.2,轨侧摩擦系数选取0.05。

关键词： 有轨电车   独立轮对   轮轨力测试   轴桥   BP神经网络   遗传算法优化  

摘要： 近些年来,随着城市化进程的不断加快,低地板有轨电车的使用越来越多,对其进行安全性评估不容忽视,而安全性的评估自然离不开轮轨力的测试。现有的轨道车辆轮轨力测试方法主要分为直接法和间接法,其中直接法以测力轮对法为代表,间接法以构架力法为代表。但鉴于100%低地板有轨电车具有多使用带有弹性车轮的独立轮对、车下安装空间位置有限以及小轮径等的结构特点,使得传统的测力轮对法在低地板车辆上使用有困难,同时构架力法又由于其传力路径过长导致其测量准确性不高,因此本文针对拥有独立轮对结构的有轨电车,提出了一种轮轨力测量新方法“轴桥法”。 (1)本文所提出的“轴桥法”与传统的测力轮对法在本质上具有相似性,二者均是基于应变测点与轮轨力之间的映射关系来对轮轨力进行求解。测力轮对法是首先通过静态标定技术确定车轮测点应变与轮轨力之间的线性关系矩阵K,然后基于公式ε=K·F即可由车轮上的测点应变反求出轮轨力。“轴桥法”则是在轴桥上选定应变测点,建立起轴桥测点应变与轨轨力之间的映射关系,利用轴桥应变与轮轨力之间的对应关系,通过测量轴桥应变,进而得到轮轨力。但鉴于有轨电车多采用独立旋转弹性车轮,且独立轮对的车轮与轴桥之间通过轴承进行连接,使得轴桥测点应变与轨轨力之间的映射关系变得错综复杂,不再是线性的和准静态的关系。本文研究的重点正是通过系统辨识技术对轴桥测点应变与轨轨力之间的非线性映射关系进行研究。 (2)联合使用Solid Works、Hyper Mesh、Ansys和Simpack软件建立了考虑车轮和轴桥柔性的100%低地板有轨电车的刚柔耦合动力学模型。通过对独立轮对进行静力学分析,根据自扰尽可能大串扰尽可能小的原则,确定了轴桥上应力测点的具体位置。 (3)近些年来,人工神经网络技术发展迅速,其中的BP神经网络由于具有良好的鲁棒性、容错能力、强大的自学习能力以及并行处理能力,而在非线性系统建模与辨识中得到了广泛的应用。本文使用基于遗传算法优化的BP神经网络来对轴桥测点应力与轮轨力之间的非线性映射关系进行研究,通过编写Matlab程序建立了误差小、相关性强、预测性好的GA-BP神经网络轮轨横向力和轮轨垂向力预测模型。 (4)在多种动力学工况下,从仿真和试验两个角度对GA-BP神经网络轮轨力预测模型进行应用研究。神经网络预测值与Simpack仿真值对比结果表明:预测值与仿真值数据吻合程度较高,轮轨横向力的最大误差不超过8%,轮轨垂向力的最大误差不超过9%,轮轴横向力的最大误差不超过7%,脱轨系数的最大误差不超过8%,验证了本文所提出的“轴桥法”能够实现轮轨力的连续准确测量,具有一定的工程应用价值。

标准号: T/ZZB 3024-2022

关键词： 测力轮对   高频轮轨力   模态分析   谐响应分析   全相位滤波器  

摘要： 轨道交通领域常采用测力轮对方法对轮轨力进行检测。目前测力轮对方法仅适用于低频轮轨力的测量,而轮轨力存在高频成分时其测量效果较差。为了实现高频轮轨力测量,本文对高频轮轨力测量方法进行研究。首先,通过轮对模态分析和谐响应分析,发现在高频段,由于轮对存在模态共振现象,辐板应变与激励信号不再是线性关系,使得高频轮轨力测量时出现较大误差。为了消除轮对模态共振的影响,基于传统FIR滤波器,通过考虑滤波器系数在长度固定时的所有分段情况,设计了一种全相位滤波器。采用本文设计的全相位滤波器可以计算得到较为准确的高频轮轨力。本文的研究成果为高频轮轨力测量方法提供理论基础。

关键词： 重载列车   轮轨接触条件   车辆—轨道耦合动力学   防空转控制   轮轨黏着特性  

摘要： 表面接触状态对轮轨摩擦系数和黏着特性影响显著。基于车辆—轨道耦合动力学理论,建立了考虑轮轨防空转控制的重载列车—轨道耦合动力学模型。利用该数值模型分析了接触状态对轮轨动态相互作用的影响,系统地对比研究了不同防空转控制策略对轮轨黏着性能的影响。分析结果表明:轨面接触状态和防空转控制阈值对轮轨法向相互作用及黏着特性影响显著;相比于定阈值的PID轮轨防空转控制,当采用最优转矩控制策略时牵引效率更高。

关键词： 铁路道岔   尖轨磨耗   轮轨接触   变截面   摇头角  

摘要： 为研究尖轨变截面对曲尖轨轮轨接触行为和磨耗分布的影响,提出了一种适用于道岔区的三维非对称接触几何算法,该算法可计算车轮与曲尖轨间的真实法向间隙.使用SIMPACK建立车辆-道岔多体动力学模型,获得仿真结果;利用考虑变截面的接触模型与英国谢菲尔大学提出的USFD磨耗模型计算曲尖轨磨耗.研究结果表明:1)以S1002CN车轮与12号道岔曲尖轨为例,轮对摇头角与尖轨变截面均会引起轮轨法向间隙沿接触斑纵向非对称分布,从而导致接触斑形状与应力沿接触斑纵向非对称分布;当摇头角为10 mrad,横移量为7.5 mm时,本文算法得到的接触斑面积比未考虑尖轨变截面和摇头角的简化算法所得结果大9.2%.2)以CRH3型车与12号曲尖轨道岔为研究对象,简化算法得到的最大磨耗深度为本文算法所得结果的0.75倍.

关键词： 电力机车   滚动接触疲劳   低黏着   多体动力学   损伤函数  

摘要： 大功率电力机车在日常运营中不可避免遇到轨面局部低黏着(摩擦系数小于黏着需求)现象,为研究该现象对机车车轮名义滚动圆附近萌生的第3类滚动接触疲劳(简称“RCF3”)的影响,基于多体动力学仿真软件Simpack建立机车动力学模型,利用损伤函数预测轨面有局部低黏着时车轮的裂纹萌生速率。结果表明,直线下坡电制时,仅单侧轨面的低黏着能增大两侧车轮RCF3的萌生速率;曲线下坡电制时,仅单侧轨面的低黏着可增大另一侧车轮RCF3的萌生速率。双侧轨面均有低黏着时,RCF3萌生速率随低黏着区长度的增大而先增加后下降,直至磨耗主导。当轨面低黏着区长度小于车轮周长时,可导致RCF3仅在车轮局部萌生或萌生速率沿周向分布不均。

关键词： 高速列车   柔性轨道   制动工况   轮轨动态响应   振动  

摘要： 为探究制动条件下高速列车轮轨动态响应,利用Abaqus和Simpack建立了考虑钢轨柔性变形的车辆-轨道空间耦合动力学模型。基于多体动力学理论,该模型考虑了车体、构架、轮对、轴箱等车辆系统关键部件的6个自由度,并通过轮轨垂向与切向作用关系,实现车辆与轨道系统的动态耦合。通过与试验结果对比,验证了模型的有效性。基于此,分析了柔性轨道和制动工况对轮轨作用及轴箱振动的影响。结果表明,相比于刚性轨道,柔性轨道上的轮轨垂向接触力和纵向蠕滑力均明显更大,且轴箱振动更为剧烈。随着制动力矩的增加,第一轮对的垂向接触力增大而第二轮对的垂向接触力减小。随着车辆速度等级的增加,轮轨垂向接触力、纵向蠕滑力和车轮磨耗系数均增大;此外,相比垂向接触力,制动力矩对轮轨纵向蠕滑力和车轮磨耗系数的影响更为显著。

关键词： 地铁车辆   轮轨粗糙度   车轮不圆度   车轮镟修   车辆噪声  

摘要： 针对地铁车辆运行噪声较大的现象,对车轮不圆度及线路上不同位置的钢轨粗糙度进行测试。分析了轮轨粗糙度变化对车辆噪声的影响。研究发现:该测试线路的钢轨粗糙度显著高于国际标准ISO 3095:2013的限值,且曲线上钢轨粗糙度更高,是该地铁噪声较大的主要原因;在车轮镟修后,受镟修操作及工艺的影响,Tc(带司机室的拖车)与Mp(有受电弓的动车)的车轮轮周低阶多边形及长波粗糙度下降,但其表面短波粗糙度均显著增大,且Mp车粗糙度增加更大,导致镟轮后车辆噪声急剧升高。因而,合理的轮轨粗糙度维护策略和效果,才可降低地铁车辆噪声。

关键词： 弹性车轮   接触行为   轮轨关系   橡胶元件  

摘要： 文章针对含有压剪复合型橡胶元件的弹性车轮,深入研究了车轮在滚动过程中的接触行为。基于轮轨耦合有限元模型,得到了接触斑在静止和不同速度下的变化规律,给出了轮轨接触应力和最大等效应力的特征以及摩擦耗散的能量、应变能的变化规律。结果表明,不同车速下,弹性车轮接触斑形状与刚性车轮相比有明显不同;弹性车轮轮轨接触应力明显小于刚性车轮,橡胶元件起到了吸收轮轨接触应力的作用;弹性车轮滚动时摩擦耗散的能量总体小于刚性车轮,应变能总体大于刚性车轮,究其原因是因为橡胶元件在车轮滚动时通过大变形吸收了能量。